ยินดีต้อนรับสู่ e-learning วิชา การส่งจ่ายกำลังไฟฟ้า 

การส่งจ่ายกำลังไฟฟ้าแบบ HVDC
(High Voltage Direct Current Power Transmissions)

       การส่งจ่ายกำลังไฟฟ้าแบบ HVAC โดยปกติแล้วในการส่งจ่ายกำลังไฟฟ้าจากโรงไฟฟ้าไปยังสายส่งไฟฟ้า (Power Grid) เพื่อการส่งจ่ายกำลังไฟฟ้าไปให้ผู้ใช้ต่อไป เราจะส่งกำลังไฟฟ้าผ่านแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับแรงดันสูง (HVAC: High Voltage Alternating Current) เพราะการแปลงแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับเป็นเรื่องง่ายโดยการใช้หม้อแปลง ดังนั้นระบบจะไม่ซับซ้อน ไม่ต้องการการดูแลรักษามากมาย

นอกจากนี้ถ้าพูดถึงในเรื่องของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับก็มีข้อดีเหนือเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงมากมาย ดังนั้นระบบการส่งจ่ายกำลังด้วยไฟฟ้ากระแสสลับจึงเป็นสิ่งที่นิยมมาก แต่อย่างไรก็ตามการส่งจ่ายกำลังไฟฟ้าผ่านไฟฟ้ากระแสสลับก็มีข้อด้อยหลายประการดังนี้

- เกิดค่าความเหนี่ยวนำ (Inductive) และค่าความจุ (Capacitive) ของสายโอเวอร์เฮดและสายเคเบิลที่จะมีค่าเพิ่มขึ้นเมื่อสายมีความยาวมากขึ้น ทำให้เกิดข้อจำกัดในเรื่องของระยะการส่งกำลังไฟฟ้า
- ไม่สามารถต่อระบบไฟฟ้ากระแสสลับสองระบบที่มีความถี่ต่างกันเข้าด้วยกันได้

และถึงแม้ว่าระบบไฟฟ้ากระแสสลับสองระบบจะมีความถี่เท่ากัน ก็อาจจะไม่สามารถเชื่อมต่อระบบเข้าด้วยกันโดยตรงได้ เพราะระบบอาจจะขาดเสถียรภาพ หรือเกิดกระแสลัดวงจรค่าสูง ดังนั้นวิศวกรจึงได้มีความพยายามที่จะส่งจ่ายกำลังโดยการใช้ไฟฟ้ากระแสตรงแรงดันสูง (HVDC: High Voltage Direct Current) เพื่อแก้ไขปัญหาข้างต้นดังกล่าว
     
การส่งจ่ายกำลังไฟฟ้าแบบ HVDC (High Voltage Direct Current)
การส่งจ่ายกำลังไฟฟ้าแบบ HVDC เป็นการส่งจ่ายกำลังไฟฟ้าผ่านแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงแรงดันสูงที่นำมาแก้ปัญหาที่เกิดขึ้นในกรณีที่ส่งจ่ายกำลังไฟฟ้าด้วย HVAC

* ข้อดีของการส่งจ่ายกำลังไฟฟ้าแบบ HVDC
- การส่งกำลังไฟฟ้าด้วยไฟฟ้ากระแสตรงทำให้สามารถเชื่อมระบบไฟฟ้ากระแสสลับต่างระบบที่มีความถี่ต่างกันได้อย่างสะดวก โดยไม่ต้องทำการซิงโครไนซ์

- ไม่เกิดปัญหาค่าความเหนี่ยวนำ (Inductive) และค่าความจุ (Capacitive) ของสายโอเวอร์เฮดและสายเคเบิล ทำให้ไม่มีข้อจำกัดเรื่องกำลังไฟฟ้าสูงสุดที่ส่งจ่ายได้หรือความยาวของสายเคเบิล และนอกจากนั้นยังได้ใช้ประโยชน์จากขนาดพื้นที่หน้าตัดของสายเคเบิลอย่างเต็มที่เนื่องจากไม่เกิด Skin Effect ดังเช่นที่ระบบไฟฟ้ากระแสสลับมี

- สามารถควบคุมการไหลของพลังงานไฟฟ้าได้อย่างสะดวก และสามารถออกแบบให้ควบคุมด้วยระบบดิจิตอลได้ ทำให้สามารถควบคุมได้อย่างรวดเร็วและแม่นยำ

- เนื่องจากการควบคุมของการส่งจ่ายกำลังไฟฟ้าของระบบ HVDC ที่สามารถทำได้อย่างรวดเร็ว จึงสามารถนำข้อดีนี้มาใช้เพื่อลดหรือหน่วงการแกว่ง (ออสซิลเลต) ของกำลังไฟฟ้าในกริดไฟฟ้ากระแสสลับ (AC Grid) ได้ เพื่อเพิ่มเสถียรภาพของระบบ

* ประวัติของการส่งจ่ายกำลังไฟฟ้าแบบ HVDC
จุดเปลี่ยนของการพัฒนาการส่งจ่ายกำลังไฟฟ้าแบบ HVDC มีอยู่หลายเหตุการณ์ โดยมีเหตุการณ์ที่สำคัญ ๆ ดังนี้
- ค.ศ.1882: มีการสร้างระบบส่งจ่ายไฟฟ้ากระแสตรง ขนาด 2,000 V ความยาว 50 กม. ขึ้นระหว่างเมือง Miesbach กับเมือง Munich ประเทศเยอรมัน แต่อย่างไรก็ตาม ยังเป็นการจ่ายกำลังโดยใช้เครื่องจักรกลไฟฟ้ากระแสตรง
- ค.ศ. 190: มีการพัฒนาวงจรเรียงกระแสที่ใช้ Hewitt’s Mercury Vapour
- ค.ศ. 1941: มีการสร้างระบบส่งจ่ายไฟฟ้าด้วย HVDC ในเชิงพาณิชย์ ขนาดกำลังไฟฟ้า 60 MW เพื่อใช้ส่งจ่ายกำลังไฟฟ้าไปยังเมือง Berlin ประเทศเยอรมัน
- ค.ศ.1945: มีการสร้างระบบส่งจ่ายไฟฟ้า  HVDC ในเชิงพานิชย์ เพื่อใช้เชื่อมต่อระบบไฟฟ้ากำลังระหว่างประเทศสวีเดน ไปยังเกาะ Gotland
- ค.ศ.1970: มีการสร้างสวิตช์ที่ทำจากสารกึ่งตัวนำ เพื่อนำมาแทนที่หลอดสุญญากาศ
- ค.ศ.1979: มีการลงนามสัญญาสร้างระบบส่งจ่ายกำลังไฟฟ้าระบบ HVDC ที่มีขนาดใหญ่ที่สุดในโลก ?600 kV, 6,300 MW ที่ Itaipu ประเทศบราซิล
- ค.ศ.1979: มีการลงนามสัญญาสร้างระบบส่งจ่ายกำลังไฟฟ้าระบบ HVDC ที่มีขนาดที่ใหญ่ที่สุดในโลก ?600 kV, 6,300 MW ที่ Itaipu ประเทศบราซิล โดยบริษัท ABB
- ค.ศ.1985: ส่งมอบระบบส่งจ่ายกำลังไฟฟ้าระบบ HVDC ที่ Itaipu ประเทศบราซิล โดยระยะแรกส่งกำลังได้ 3,150MW
- ค.ศ.1987: ส่งมอบระบบส่งจ่ายกำลังไฟฟ้าระบบ HVDC ที่ Itaipu ประเทศบราซิล ระยะที่สองที่ส่งกำลังได้อีก 3,150MW

* ต้นทุนของระบบ HVDC
 อัตราส่วนการลงทุนเกี่ยวกับระบบโดยประมาณสำหรับระบบ HVDC จะเป็นดังนี้

รูปที่ 1 อัตราส่วนการลงทุนเกี่ยวกับระบบโดยประมาณสำหรับระบบ HVDC

       จะเห็นว่าต้นทุนของระบบ HVDC นั้นขึ้นอยู่กับหลาย ๆ องค์ประกอบ ซึ่งถ้าหากเรานำเอาการส่งจ่ายกำลังไฟฟ้าแบบ HVDC ไปเปรียบเทียบกับการส่งจ่ายกำลังไฟฟ้าแบบ HVAC ข้อมูลที่ได้จากการเปรียบเทียบจะเป็นประโยชน์เพื่อช่วยในการตัดสินใจเลือกระบบการส่งจ่ายกำลังไฟฟ้า

ได้มีการศึกษาในเรื่องต้นทุนของระบบ HVDC เมื่อเทียบกับระบบ HVAC ซึ่งก็ได้ผลสรุปว่าในการส่งกำลังระยะใกล้ ๆ ระบบ HVDC จะมีต้นทุนที่สูงกว่าอันเนื่องมาจากสถานีกำลังของระบบ HVDC มีราคาที่สูงกว่าระบบ HVAC เพราะระบบ HVDC ต้องมีการแปลงจากไฟฟ้า AC ไปเป็นไฟฟ้า DC และ จากไฟฟ้า DC ไปเป็นไฟฟ้า AC อีกครั้งหนึ่ง ซึ่งก็หมายความว่าต้องมีการลงทุนไปกับระบบแปลงผันกำลังไฟฟ้าในส่วนนี้ด้วยนั่นเอง (ในขณะที่ระบบส่งจ่ายกำลังด้วย HVAC ไม่ต้องมีต้นทุนตรงส่วนนี้) จึงทำให้ต้นทุนในส่วนของสถานีกำลังระบบ HVAC จะมีราคาที่ต่ำกว่าระบบ HVDC แต่อย่างไรก็ตามจากผลของการศึกษากลับพบว่าเมื่อระยะทางที่ต้องส่งจ่ายกำลังไฟฟ้าเพิ่มขึ้น ต้นทุนของระบบ HVDC กลับมีค่าน้อยกว่าการส่งจ่ายกำลังในระบบ HVAC ดังรูป

รูปที่ 2 การเปรียบเทียบต้นทุนของระบบ HVAC และ HVDC เทียบกับระยะทาง

จากรูปจะเห็นว่าระยะทางในการส่งจ่ายที่ระบบ HVDC เริ่มที่จะถูกกว่าระบบ HVAC หรือ Break-even Distance จะอยู่ที่ระยะประมาณ 500–800 กม. ที่เป็นเช่นนี้เพราะต้นทุนของสายเคเบิลของระบบ HVDC นั้นมีค่าต่ำกว่าระบบ HVAC และรวมไปถึงการสูญเสียในระบบ HVAC ที่มีค่าสูงกว่าระบบ HVDC นั่นเอง

* การพิจารณาในด้านผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม
การส่งจ่ายกำลังไฟฟ้าด้วยระบบ HVDC ถือได้ว่าเป็นระบบที่มีความเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมในแง่ของการประหยัดพลังงาน เนื่องจากมันมีประสิทธิภาพของการส่งจ่ายกำลังไฟฟ้ามากกว่าระบบ HVAC นั่นเอง และถ้าหากพูดถึงในเรื่องของพื้นที่ที่ต้องใช้ในการติดตั้งระบบส่งจ่ายกำลังไฟฟ้าแบบ HVDC (เสาไฟฟ้า) ก็ยังเป็นข้อได้เปรียบระบบส่งจ่ายกำลัง HVAC อีกด้วย เรื่องจากมันต้องการพื้นที่ที่น้อยกว่าดังรูปที่ 3 ที่แสดงตัวอย่างโครงสร้างของเสาไฟฟ้าสำหรับระบบ HVAC (ซ้าย) และ ระบบ HVDC (ขวา) ที่ขนาดกำลังประมาณ 1,000 MW

รูปที่ 3 ตัวอย่างของเสาไฟฟ้าของระบบ HVAC (ซ้าย) และ ระบบ HVDC (ขวา)
ที่ขนาดประมาณ 1,000 MW

นอกจากนี้ หากพิจารณาในแง่ของประเด็นสิ่งแวดล้อมอื่น ๆ ระบบส่งจ่ายกำลังไฟฟ้าแบบ HVDC ก็ยังมีข้อดีเหนือระบบส่งจ่ายกำลังไฟฟ้าแบบ HVAC ดังนี้ 
- เสียงรบกวน (Audible Noise)
- ผลกระทบด้านทัศนียภาพ
- ความเข้ากันได้ด้านแม่เหล็กไฟฟ้า (EMC)
- สามารถใช้พื้นดินหรือทะเลเป็นส่วนส่งกำลังกลับ (Return Path) ในระบบขั้วเดี่ยว (Monopolar) ได้

หลักการทำงานของ HVDC
* วงจรไฟฟ้ากระแสตรงพื้นฐาน
 การส่งจ่ายกำลังไฟฟ้าด้วยระบบ HVDC สามารถอธิบายหลักการเบื้องต้นได้ด้วยวงจรไฟฟ้ากระแสตรงพื้นฐานดังรูป

รูปที่ 4 วงจรไฟฟ้ากระแสตรงพื้นฐาน

จากรูปเราสามารถควบคุมการไหลของกระแส และการไหลของพลังงานไฟฟ้าโดยการควบคุมขนาดความแตกต่างของแรงดัน Vd1 กับ Vd2 และถ้าหากเราควบคุมทิศทางของกระแสให้คงที่ ดังนั้นการไหลของพลังงานจะขึ้นอยู่กับขั้วของแรงดัน Vd1 และ Vd2 นั่นเอง

* The Dual Converter หรือ Back-to-Back Converter
Dual Converter คือวงจรเรียงกระแสแบบบริดจ์ที่ใช้ไทริสเตอร์ เช่น SCR หรือ GTO สองวงจรและต่อขนานกันโดยหันกลับหัวกลับหาง โดยปกติแล้ววงจรเรียงกระแสแบบบริดจ์นี้ หากมีโหลดที่มีกระแสต่อเนื่อง (เช่น การต่อ DC Reactor ที่ด้านไฟตรง) จะทำให้มันสามารถทำงานได้ทั้งสองควอดแดรนต์ของ V-I Plane กล่าวคือกระแสไหลได้ทางเดียว (เป็นบวก) แต่แรงดันกลับทิศทางได้ (เป็นบวกและลบ) และถ้าหากเรานำวงจรเรียงกระแสแบบบริดจ์อีกวงจรที่ต่อกลับด้านกัน จะทำให้มันจ่ายกระแสเป็นลบ และแรงดันได้ทั้งบวกและลบ

ดังนั้นการนำสองวงจรมาทำเป็น Dual Converter จะทำให้มันสามารถทำงานได้ครบทั้ง 4 ควอดแดรนต์ (จ่ายกระแสได้ทั้งบวกและลบ จ่ายแรงดันได้ทั้งบวกและลบ) หรือพูดได้ว่ามันสามารถทำงานได้ทั้ง Converter Mode (จ่ายพลังงานสู่โหลด) หรือ Inverter Mode (จ่ายพลังงานกลับสู่แหล่ง) นั่นเอง

Dual Converter สามารถใช้สำหรับการส่งจ่ายกำลังไฟฟ้าระหว่างระบบไฟฟ้า AC ที่อยู่ติดกันซึ่งไม่สามารถเชื่อมต่อเข้าด้วยกันตรง ๆ ได้ และนอกจากนี้มันยังสามารถใช้เพื่อกำหนดทิศทางการไหลของกำลังไฟฟ้าได้อีกด้วย

รูปที่ 5 Dual Converter

* การส่งกำลังไฟฟ้าระยะไกลแบบขั้วเดี่ยว (Monopolar Long-distance Transmissions)
 ระบบนี้ใช้สำหรับการส่งจ่ายกำลังระยะไกลมาก ๆ และโดยเฉพาะการส่งจ่ายกำลังผ่านทะเล โดยที่ทางเดินกลับของกำลังไฟฟ้า (Return Path) จะเป็นพื้นดินหรือทะเลดังรูปที่ 6

รูปที่ 6 ระบบส่งกำลังแบบ Monopolar ที่มีทางเดินกลับของกำลังไฟฟ้าเป็นพื้นดินหรือทะเล

รูปที่ 7 ระบบส่งกำลังแบบ Monopolar ที่มีทางเดินกลับของกำลังไฟฟ้าเป็นโลหะ

แต่อย่างไรก็ตาม ในหลาย ๆ กรณีมีขีดจำกัดในเรื่องของโครงสร้างหรือสภาพแวดล้อม ทำให้ไม่สามารถใช้ อิเล็กโทรดได้ ดังนั้นเราจำเป็นต้องใช้ทางเดินกลับของกำลังไฟฟ้าเป็นโลหะแทนดังรูปที่ 7

* การส่งกำลังไฟฟ้าระยะไกลแบบขั้วคู่ (Bipolar Long-distance Transmissions)
ระบบส่งกำลังแบบ Bipolar คือการส่งกำลังแบบใช้ขั้วสองขั้วและมีทางเดินกลับร่วมของกำลังไฟฟ้าแรงดันต่ำ (Common Low Voltage Return Path) ซึ่งในสภาวะการทำงานปกติ ทางเดินกลับของกำลังไฟฟ้านี้จะมีกระแสไหลไม่สมดุล (Unbalance Current) ค่าต่ำ ๆ เท่านั้น

การใช้รูปลักษณ์ (Configuration) แบบนี้จะใช้ก็ต่อเมื่อมีการส่งจ่ายกำลังไฟฟ้าค่าสูง ๆ และสูงเกินขีดความสามารถของการส่งจ่ายกำลังแบบ Monopolar (Single Pole)

ข้อดีของระบบ Bipolar นี้คือ ในขณะที่มีการซ่อมบำรุงขั้วใดขั้วหนึ่ง หรือเกิดความผิดพลาดในการทำงานที่ขั้วใดขั้วหนึ่ง อีกขั้วที่เหลือก็ยังสามารถส่งจ่ายกำลังไฟฟ้าได้ โดยกำลังที่ส่งจ่ายก็สามารถส่งจ่ายได้มากกว่า 50% ของขีดความสามารถของระบบ ทั้งนี้ทั้งนั้นก็ขึ้นอยู่กับความสามารถในการจ่ายโหลดเกินของขั้วที่เหลือนั่นเอง

นอกจากนี้ข้อดีอีกอย่างหนึ่งของระบบ Bipolar หนึ่งระบบเมื่อเทียบกับระบบ Monopolar สองระบบ ก็คือต้นทุนสำหรับทางเดินกลับของกำลังไฟฟ้ามีค่าต่ำ (เพราะใช้ร่วมกันนั่นเอง) และยังมีค่าการสูญเสียที่ต่ำ หรืออาจจะไม่ใช้ทางเดินกลับของสัญญาณเลยก็ได้ แต่อย่างไรก็ตาม ณ จุดนี้ก็สามารถกลับกลายเป็นข้อด้อยของระบบได้เช่นกัน กล่าวคือถ้าหากทางเดินกลับของกำลังไฟฟ้าเกิดชำรุดเสียหายใช้การไม่ได้ มันจะมีผลกระทบไปถึงทั้งสองขั้ว
 * การส่งกำลังไฟฟ้าระยะไกลแบบขั้วคู่ที่มีทางเดินกลับของกำลังไฟฟ้าเป็นพื้นดินหรือทะเล (Bipolar with Ground Return Path)
 ระบบนี้เป็นระบบที่ใช้กันโดยทั่วไปสำหรับการส่งจ่ายกำลังแบบ Bipolar การใช้วงจรลักษณะนี้จะทำให้เกิดอิสระและความยืดหยุ่นในการทำงานสูง

รูปที่ 8 ระบบส่งกำลังแบบ Bipolar ขณะทำงานในสภาวะปกติ

ถ้าหากว่าเกิดความผิดพลาดในการทำงานกับขั้วใดขั้วหนึ่ง กระแสของขั้วที่ยังปกติจะไหลผ่านทางเดินกลับของกำลังไฟฟ้าที่เป็นพื้นดินหรือทะเลได้ และดังนั้นขั้วที่เสียหายก็จะถูกแยกโดด หรือแยกวงจรออกไป ดังรูปที่ 9

รูปที่ 9 ระบบส่งกำลังแบบ Bipolar ขณะเกิดความเสียหายกับขั้วส่งกำลัง

 อีกกรณีหนึ่งก็คือการที่ Converter เกิดการเสียหาย เราสามารถทำให้กระแสไหลกลับทางขั้วที่ Converter ตัวที่เสียหายได้ (แทนที่จะให้กลับทางพื้นดินหรือทะเล) ดังรูปที่ 10

รูปที่ 10 ระบบส่งกำลังแบบ Bipolar ขณะเกิดความเสียหายกับ Converter

* การส่งกำลังไฟฟ้าระยะไกลแบบขั้วคู่ที่มีทางเดินกลับของกำลังไฟฟ้าเป็นโลหะและทำงานแบบขั้วเดี่ยว (Bipolar with dedicated metallic ground return path for monopolar operation)
ในกรณีที่มีข้อจำกัดในการใช้อิเล็กโทรดหรือในกรณีที่ระยะทางในการส่งมีระยะใกล้ ๆ เราอาจจะใช้ ทางเดินกลับของกำลังไฟฟ้าสำหรับไฟฟ้าแรงดันต่ำที่เป็นโลหะก็ได้ดังรูปที่ 11

รูปที่ 11 ระบบส่งกำลังแบบ Bipolar ที่มีทางเดินกลับของกำลังไฟฟ้าเป็นโลหะและทำงานแบบ Monopolar

* การส่งกำลังไฟฟ้าระยะไกลแบบขั้วคู่ที่ไม่ต้องมีทางเดินกลับของกำลังไฟฟ้าและทำงานแบบขั้วเดี่ยว (Bipolar without dedicated return path for monopolar operation)
การใช้ระบบ Bipolar ให้ทำงานในลักษณะ Monopolar เราสามารถตัดอิเล็กโทรดหรือทางเดินกลับของกำลังไฟฟ้าที่เป็นโลหะได้ ซึ่งจะทำให้ต้นทุนเริ่มต้นของระบบนี้มีค่าต่ำที่สุด

รูปที่ 12 ระบบส่งกำลังแบบ Bipolar ที่ไม่ต้องมีทางเดินกลับของกำลังไฟฟ้าและทำงานแบบ Monopolar

การทำงานในลักษณะ Monopolar จะสามารถทำได้โดยการใช้สวิตช์บายพาสที่ขั้วของ Converter มีปัญหา แต่ก็ไม่สามารถทำได้ถ้าหากตัวนำ HVDC นั้นมีปัญหา (เพราะเราใช้เป็นทางเดินกลับของกำลังไฟฟ้านั่นเอง)
 การทำงานของวงจรเรียงกระแสแบบบริดจ์ 6 พัลส์
หัวใจสำคัญของระบบส่งกำลังไฟฟ้าแบบ HVDC นี้ก็คือวงจรเรียงกระแสสองวงจร โดยวงจรแรกจะทำงานใน Converter Mode ทำหน้าแปลงไฟฟ้า AC ไปเป็นไฟฟ้า DC และส่งกำลังไฟฟ้า DC นี้ไปตามสายเคเบิล เมื่อถึงปลายทางก็แปลงกลับไปเป็นไฟฟ้า AC โดยการใช้วงจรเรียงกระแสที่สองที่ทำงานใน Inverter Mode

ในสมัยเริ่มแรกนั้นจะใช้หลอดสุญญากาศทำหน้าที่เป็นสวิตช์กำลังในวงจรเรียงกระแส แต่อย่างไรก็ตามการปรากฏตัวและการพัฒนาของสวิตช์กำลังสารกึ่งตัวนำที่เหนือกว่าหลอดสุญญากาศทุกอย่างทำให้ไม่มีการใช้หลอดสุญญากาศในวงจรเรียงกระแสที่ใช้ในระบบ HVDC อีกต่อไป โดยสวิตช์กำลังที่ใช้ในวงจรเรียงกระแสแบบบริดจ์ในระบบ HVDC ในปัจจุบันก็คือไทริสเตอร์ (SCR หรือ GTO)

SCR เป็นสวิตช์กำลังสารกึ่งตัวนำที่มีสามขา คือ Anode (A), Cathode (K), และ Gate (G) โดยถ้าเราให้แรงดันที่ขา A มีศักดิ์ไฟฟ้าเป็นบวกเมื่อเทียบกับขา K และให้สัญญาณจุดชนวน (Triggering signal) ที่ขา G ที่มีศักดิ์ไฟฟ้าเป็นบวกเมื่อเทียบกับขา K ก็จะทำให้ SCR นั้นนำกระแสได้ ส่วน GTO นั้นจะทำงานคล้าย ๆ กับ SCR ต่างตรงที่สามารถใช้สัญญาณที่ G เพื่อสั่งให้มันหยุดนำกระแสได้ด้วย (SCR ไม่สามารถทำได้)

วงจรที่ 13 แสดงวงจรเรียงกระแสสามเฟสแบบบริดจ์ที่ใช้ SCR โดยจะใช้ทั้งหมด 6 ตัว และจะมี SCR นำกระแสคราวละ 2 ตัว

รูปที่ 13 วงจรเรียงกระแสสามเฟสแบบบริดจ์ที่ใช้ SCR

การที่เราจะสั่งให้ SCR ตัวใดนำกระแสนั้นก็ขึ้นอยู่กับแรงดันของแหล่งจ่ายที่ SCR ตัวนั้นต่ออยู่ต้องมีค่าสูงสุด โดย SCR หมายเลข 1, 3, 5 จะเป็น SCR ที่ควบคุมแรงดันด้านบวก (จุด A) และ SCR หมายเลข 4, 6, 2 จะเป็น SCR ที่ควบคุมแรงดันด้านลบ (จุด B) ตัวอย่างเช่นในกรณีแรงดัน V12 (V1-V2) มีค่าสูงสุด ซึ่งแสดงว่าแหล่งจ่ายแรงดัน V1 มีค่าสูงสุดทางด้านบวกจึงต้องจุดชนวน Q1 ให้นำกระแสทางบวก และแหล่งจ่ายแรงดัน V2 จะมีค่าสูงสุดทางด้านลบจึงต้องจุดชนวน Q6 ให้นำกระแสทางลบ และแรงดันโหลดในขณะนั้นจะมีขนาดเท่ากับแรงดัน V12 นั่นเอง

ตัวอย่างอีกกรณีหนึ่งคือ สมมุติว่าแรงดัน V31 (V3-V1) มีค่าสูงสุด ซึ่งแสดงว่าแหล่งจ่ายแรงดัน V3 มีค่าสูงสุดทางด้านบวกจึงต้องจุดชนวน Q5 ให้นำกระแสทางบวก และแหล่งจ่ายแรงดัน V1 จะมีค่าสูงสุดทางด้านลบจึงต้องจุดชนวน Q4 ให้นำกระแสทางลบ และแรงดันโหลดในขณะนั้นจะมีขนาดเท่ากับแรงดัน V31นั่นเอง

ดังนั้นการนำกระแสของ SCR จะเรียงลำดับตามนี้คือ Q1+Q2, Q2+Q3, Q3+Q4, Q4+Q5, Q5+Q6, Q6+Q1 และวนกลับไปขึ้นรอบใหม่

การควบคุมแรงดันด้านออกสามารถควบคุมได้โดยการควบคุมมุมจุดชนวน () หรือมุมที่สั่งให้ SCR นำกระแส โดยมุมที่เป็นจุดตัดกันของ V1 กับ V3 เราจะนับเป็นมุม 0 องศา (ซึ่งจะต่างจากวงจรเรียงกระแสหนึ่งเฟส ที่จะเริ่มนับมุม 0 องศาเมื่อแรงดันด้านเข้ามีค่า 0)

ในกรณีที่มุมจุดชนวนเป็น 0 องศา ลักษณะแรงดันด้านออกจะเหมือนกันกรณีที่เราแทน SCR ด้วยไดโอด (ที่ไม่สามารถควบคุมมุมจุดชนวนได้) และแรงดันด้านออกจะมีค่าเฉลี่ยสูงสุด เมื่อมุมจุดชนวนเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ แรงดันด้านออกก็จะมีค่าเฉลี่ยลดลง ในกรณีนี้พลังงานที่ส่งจ่ายจะไหลจากด้านไฟสลับ (ด้านซ้ายมือ) ไปยังด้านไฟตรง (ด้านขวามือ) เพราะกระแสด้านออกมีค่าเฉลี่ยเป็นบวกและแรงด้านออกก็มีค่าเฉลี่ยเป็นบวกด้วยเช่นเดียวกัน ซึ่งในกรณีนี้จะเรียกว่าเป็นการทำงานใน Converter Mode

เมื่อเราจุดชนวนที่มุม 90 องศา แรงดันด้านออกจะมีค่าเฉลี่ยเท่ากับ 0 จึงทำให้กรณีนี้จะไม่มีกระแสไหล และพลังงานที่ส่งจ่ายก็จะเท่ากับ 0 ด้วยเช่นเดียวกัน แต่เมื่อเราเพิ่มมุมจุดชวนให้มากกว่า 90 องศา จะทำให้แรงดันด้านออกมีค่าเฉลี่ยเป็นลบ ในขณะที่กระแสยังคงมีค่าเฉลี่ยเป็นบวกเช่นเดิม ในกรณีนี้จะทำให้พลังงานที่ส่งจ่ายจะไหลกลับทางได้ทาง โดยจะไหลจากด้านไฟตรง (ด้านขวามือ) ไปยังด้านไฟสลับ (ด้านซ้ายมือ) ซึ่งในกรณีนี้จะเรียกว่าเป็นการทำงานใน Inverter Mode

 แรงดันด้านออกเฉลี่ยมีค่าเท่ากับ  
 โดย V_S คือค่าแรงดันไลน์ RMS ของแหล่งจ่าย และ  คือมุมจุดชนวนของ SCR

กรณีของการส่งจ่ายกำลังด้วย HVDC ที่ต้องทำงานทั้งใน Converter Mode และ Inverter Mode วงจรด้านออกหรือด้านไฟตรงของวงจรเรียงกระแสแบบบริดจ์จะต้องมีตัวเหนี่ยวนำหรือที่เรียกว่า DC Reactor อยู่เพื่อทำให้กระแสมีค่าต่อเนื่องด้วย

รูปที่ 14 แสดงตัวอย่างรูปคลื่นกระแสด้านเข้าและแรงดันด้านออกของวงจรวงจรเรียงกระแสสามเฟสแบบบริดจ์ 6 พัลส์

วงจรเรียงกระแสสามเฟสแบบบริดจ์ 12 พัลส์
แม้ว่าระค่าระลอก (Ripple) ของแรงดันด้านออกและกระแสด้านออกของวงจรเรียงกระแสแบบบริดจ์ 6 พัลส์จะมีค่าความถี่สูงถึง 6 เท่าของความถี่แรงดันไฟฟ้ากระแสสลับด้านเข้า (6x50 = 300 Hz ในกรณีของประเทศไทย) แต่อย่างไรก็ตามค่าระลอกก็ยังคงมีค่าที่ยังไม่ต่ำมากนัก ทำให้ต้องใช้ตัวเหนี่ยวนำ DC Reactor ที่ค่าค่อนข้างสูง ดังนั้นจึงได้มีการนำเอาวงจรเรียงกระแสแบบบริดจ์ 12 พัลส์เข้ามาใช้ เพื่อแก้ปัญหาดังกล่าว

วงจรเรียงกระแสแบบบริดจ์ 12 พัลส์โดยแท้จริงแล้วก็คือวงจรเรียงกระแสแบบบริดจ์ 6 พัลส์สองวงจรต่ออนุกรมกัน โดยวงจรเรียงกระแสแต่ละวงจรจะมีแหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสสลับที่ได้จากหม้อแปลงที่มีขดทุติยภูมิต่อแบบเดลต้าและแบบสตาร์ตามลำดับดังวงจรในรูปที่ 15

รูปที่ 15 วงจรเรียงกระแสสามเฟสแบบบริดจ์ 12 พัลส์

จากวงจรจะเห็นว่าแรงดันไฟสลับด้านเข้าของวงจรด้านบนบนจะได้มาจากหม้อแปลงลูกที่อยู่ด้านบน ซึ่งมีขดทุติยภูมิที่ต่อแบบเดลต้า ในขณะที่แรงดันไฟสลับด้านเข้าของวงจรด้านล่างจะได้มาจากหม้อแปลงลูกที่อยู่ด้านล่าง ซึ่งมีขดทุติยภูมิที่ต่อแบบสตาร์ การต่อวงจรหม้อแปลงในลักษณะเช่นนี้ทำให้แรงดันด้านเข้ามีมุมต่างกัน 30 องศา (ในขณะที่การต่อแบบ 6 พัลส์ จะมีมุมต่างกัน 60 องศา)

ดังนั้นแรงดันด้านออกจะมีค่าระลอกของแรงดันและกระแสที่ลดลง และความถี่ค่าระลอกจะสูงขึ้น กลายเป็น 12 เท่าของความถี่แรงดันด้านเข้า (12x50 = 600 Hz กรณีประเทศไทย) ดังนั้นความถี่ฮาร์มอนิกของแรงดันไฟตรงด้านออกก็จะประกอบไปด้วยฮาร์มอนิกคู่ โดยมีฮาร์มอนิกความถี่ต่ำสุดอยู่ที่ 600 Hz ในขณะที่ฮาร์มอนิกของวงจรเรียงกระแสสามเฟสแบบบริดจ์ 6 พัลส์จะอยู่ที่ 300 Hz เป็นต้นไป

นายสุวรรณ   ชุรี    ค.อ.บ 3.11 เลขที่ 28  มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลล้านนา เขตพื้นที่พิษณุโลก